[論文レビュー] Effects of Fragmentation on Post-Inflationary Reheating

Marcos A. G. García, Gross, Mathieu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、インフレーション後期の再熱における自己相互作用によって引き起こされるインフレートン場の断片化が、べき乗ポテンシャル $V(\phi) \sim \phi^k$ を持つ単一場インフレーションモデルにおける再熱温度に与える影響を調査する。解析的手法と格子シミュレーションを用いて、断片化が状態方程式を変化させ、再熱を遅らせる可能性がある一方で、フェルミオンへの崩壊は早期の断片化により強く抑制されることが示された。一方、ボソン的崩壊と散乱は依然として成立し、$k=6$ の場合、再熱温度は最大で2倍まで低下する。

ABSTRACT

We consider the effects of fragmentation on the post-inflationary epoch of reheating. In simple single field models of inflation, an inflaton condensate undergoes an oscillatory phase once inflationary expansion ends. The equation of state of the condensate depends on the shape of the scalar potential, $V(ϕ)$, about its minimum. Assuming $V(ϕ) \sim ϕ^k$, the equation of state parameter is given by $w = P_ϕ/ρ_ϕ= (k-2)/(k+2)$. The evolution of condensate and the reheating process depend on $k$. For $k \ge 4$, inflaton self-interactions may lead to the fragmentation of the condensate and alter the reheating process. Indeed, these self-interactions lead to the production of a massless gas of inflaton particles as $w$ relaxes to 1/3. If reheating occurs before fragmentation, the effects of fragmentation are harmless. We find, however, that the effects of fragmentation depend sensitively to the specific reheating process. Reheating through the decays to fermions is largely excluded since perturbative couplings would imply that fragmentation occurs before reheating and in fact could prevent reheating from completion. Reheating through the decays to boson is relatively unaffected by fragmentation and reheating through scatterings results in a lower reheating temperature.

研究の動機と目的

• インフレーションモデルにおけるインフレートン場の断片化が再熱ダイナミクスに与える影響を評価すること。
• 断片化が再熱を妨げたり遅らせたりするかどうか、特に異なる崩壊チャネルにおいて評価すること。
• 自己相互作用（$V(\phi) \sim \phi^k$）が断片化が生じた際の再熱温度に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 断片化の開始とバックレアクション時間のモデル化に、フロケ理論とパラメトリック共鳴に基づく解析的手法を用いる。
• CosmoLatticeを用いた格子シミュレーションにより、インフレートン凝縮状態およびフラクチュエーション占有数の非摂動的ダイナミクスを追跡する。$\alpha$-時間スケーリングを導入する。
• エネルギー密度の時間発展をモデル化するため、時間に依存する状態方程式 $w = (k-2)/(k+2)$ を用いたフリードマン方程式を適用する。
• 数値的安定性を向上させるために、正規化された場 $\tilde{\phi} = \phi/f_*$ を導入し、ポテンシャルを $V \equiv V/(f_*^2 \omega_*^2)$ にスケーリングする。
• $k \neq 4$ の場合、最初の狭帯域不安定性のフロケ商を用いてバックレアクション時間 $\tau_{\text{br}}$ を計算する。$k=4$ の場合は特別な取り扱いを行う。
• 運動量空間での占有数の積分によりインフレートンフラクチュエーションの共動数密度を評価し、それが凍結するタイミングを追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 断片化がインフレートン凝縮状態を崩壊させ、崩壊が進行する前に枯渇させることで、再熱が阻止されるのか？
• RQ2 断片化を含めた場合、再熱温度はフェルミオンとボソンの崩壊チャネルにどのように依存するか？
• RQ3 ポテンシャル指数 $k$ が断片化の開始と効率に与える影響は何か？
• RQ4 格子シミュレーションは、バックレアクション時間と共鳴構造に関する解析的予測をどの程度確認できるか？
• RQ5 インフレートンフラクチュエーションの共動数密度は断片化の過程でどのように変化し、いつ安定化するか？

主な発見

• フェルミオンへの崩壊では、摂動的結合のため、再熱が進行する前に断片化が発生し、この再熱チャネルが実質的に遮断される。
• ボソンへの崩壊による再熱は、断片化の影響をほとんど受けず、凝縮状態が崩壊する前に崩壊が進行するため、主に影響を受けない。
• 散乱を介した再熱では、最終的な再熱温度が低下し、$k=6$ の場合、最大で約2倍の抑制が見られる。
• インフレートンフラクチュエーションの共動数密度は断片化後に一定値に凍結し、質量ゼロの粒子の安定した集団が形成されることを示している。
• $k=4$ の場合、(準)共形不変性のため、共鳴構造は固定された共動スケールに保たれるが、$k>4$ の場合、赤方偏移に伴い赤方偏移方向にシフトする。
• 格子シミュレーションは、$k=4,6,8,10$ において適切な $N$ と $\Delta\tau_\alpha$ の選択により、断片化がよく解像されており、予測されたバックレアクション時間と数値結果が一致している。